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La fabrication d'un miroir de télescope

Mon beau miroir ! (I)

Depuis l'invention du télescope par Newton, les miroirs concaves représentent la pièce maîtresse de tous les télescopes et de toutes les optiques catadioptriques utilisées par les astronomes, de très nombreux photographes et les amoureux de la nature. C'est une optique très répandue et parfois très bon marché.

Après avoir décrit les spécifications des verres utilisés en astronomie et la fabrication du disque brut d'un miroir, nous allons décrire les différences étapes de la fabrication d'un miroir de télescope, de l'ébauche de sa forme à la parabolisation jusqu'au bulletin de contrôle.

Nous aborderons également brièvement l'aluminure de sa surface mais nous développerons surtout ce sujet dans l'article consacré aux revêtements des miroirs de télescopes. De nombreux sites et documents relatifs à la fabrication d'un miroir sont également référencés en fin de dernière page.

Rappel historique

Les premiers miroirs ont été inventés au Néolithique. Selon certaines sources, les plus anciens miroirs auraient été découverts en Turquie, dans l'actuelle Anatolie. Fabriqués en obsidienne polie, ils datent de 6000 ans avant notre ère. D'autres spécimens remontent à 2000 ans avant notre ère.

Des miroirs en cuivre poli ont été découverts en Egypte remontant à 3500 et 2900 ans avant notre ère et en Mésopotamie remontant à environ 3000 ans avant notre ère. On en découvrit également en Anatolie remontant à 2000 ans avant notre ère.

Durant la XVIIIe dynastie (1478-1390 avant notre ère), les Egyptiens inventèrent des miroirs en alliage de cuivre et d'argent ou uniquement en argent comme on le voit ci-dessous.

Les Chinois inventèrent les miroirs en bronze, alliage de cuivre et d'étain, durant la culture Qijia, il y a environ 2000 ans avant notre ère. On fabriquera également des miroirs en bronze en Inde.

Au Ve siècle de notre ère, les Chinois inventèrent des miroirs en amalgame argent-mercure.

Au Mexique, vers le XVe siècle, les Aztèques fabriquèrent des miroirs en obsidienne dont le célèbre hermétiste anglais John Dee (XVIe siècle) détenait un exemplaire présenté ci-dessous.

De gauche à droite, un miroir égyptien en cuivre poli remontant à 3500 ans; un miroir second égyptien de la XVIIIe dynastie (1478-1390 avant notre ère) fabriqué en alliage de cuivre et d'argent et exposé au Aswan Brooklyn Museum. Il mesure 24.7x14 cm de diamètre; un troisième miroir égyptien de la XVIIIe dynastie fabriqué en argent sous le règne de Thoutmôsis III (1479-1425 avant notre ère) exposé au Metropolitan Museum of Art (Gallery 117). Découvert à Thèbes dans la tombe de l'une de ses trois femmes, il est muni d'un manche en bois doré à l'emblème de la déesse Hathor; un miroir chinois en amalgame argent-mercure exposé au Drake Planetarium; un miroir en obsidienne Aztèque remontant au XVe siècle ayant appartenu à John Dee (~1650). Voici un miroir moderne en obsidienne poli à la main par Rosman. Contenant au moins 70 % de silice non cristalline, si l'obsidienne présente une faible teneur en eau, hématite et bentonite, sa réflectivité peut dépasser 45 % mais elle rayonne autant en infrarouge.

A l'époque, c'était la qualité du polissage de la surface qui offrait un pouvoir de réflexion plus ou moins important. Mais cette technique ne permettait pas d'obtenir des miroirs de grande qualité et la surface s'oxydait rapidement.

En fait, on ne peut pas fabriquer de miroir très efficace uniquement par polissage. La surface est réfléchissante mais le reflet resta sombre et la netteté dépend de la qualité de la surface.

Les premiers miroirs en verre métallisés auraient été inventé à Sidon, l'actuel Liban, au cours du Ier siècle notre ère. Dans son "Histoire Naturelle" écrite vers 77 de notre ère, l'historien romain Pline l'Ancien mentionne la fabrication de miroirs en verre recouverts au dos d'une feuille d'or. Les Romains développèrent également une technique pour fabriquer des miroirs à partir de verre soufflé contenant du plomb

Miroir principal du télescope de type Gregory fabriqué en bronze par James Short Londres en 1755. Ce miroir est exposé à l'Observatoire de Marseille. Document J. Gispert.

A la fin du IIIe siècle avant notre ère, le mathématicien et géomètre grec Dioclès décrit les miroirs paraboliques dans son oeuvre "Sur des miroirs brûlants". Comme l'explique Mark Pendargrast dans son livre "Mirror, Mirror:  A History of the human love affair with reflection" (p64), au IIe siècle, l'astronome Ptolémée fit des expériences avec des miroirs courbes en fer poli et discuta dans son livre sur l'"Optique" des miroirs plans, sphériques concaves et convexes.

Les miroirs concaves et convexes dans les géométries cylindriques et sphériques seront également décrits au Xe siècle par les érudits arabes Ibn Sahl et Ibn al-Haytham.

Dans son livre "Miracle of Islamic Science", K.Ajram, rappelle que dès le XIe siècle, des miroirs en verre clairs furent fabriqués en Espagne Mauresque.

Entre le XVIIe et le XIXe siècle, bien que les verriers maîtrisaient la fabrication du verre et des glaces (la Galerie des Glaces du château de Versailles fut terminée en 1684), personne n'était capable de fabriquer des miroirs concaves réfléchissants. Par conséquent, malgré leurs faibles performances, tous les miroirs des télescopes furent fabriqués en bronze jusqu'en 1845.

Newton lui-même fabriqua le sien à partir de fins segments de cuivre et d'étain dont il fit un alliage avant de le polir pour lui donner la forme et le pouvoir réfléchissant désiré. William Herschel fit de même avec son miroir en bronze de 1.20 m de diamètre ainsi que Lord Rosse (William Parsons) avec son "Leviathan" de 1.83 m de diamètre.

Mais comme tous les miroirs de ce type, le bronze est quatre fois plus lourd que le verre, il ne réfléchit que 62 % de la lumière et s'oxyde rapidement et se ternit, imposant des repolissages fréquents et complets.

De plus, l'alliage est sensible aux variations de température et la résistance (dureté) de sa surface dépend des quantités de cuivre et d'étain; s'il y a trop cuivre, elle devient fragile et se plie à la moindre tentative de polissage tandis que s'il y a trop d'étain, la surface durcit et risque de se casser. Ce n'est vraiment pas le matériau recommandé pour fabriquer la pièce maîtresse d'un instrument d'optique.

Le miroir de 1.83 m (72") et 16 m de focale (f/8.7) du télescope "Leviathan" fabriqué par William, Parsons, troisième comte de Rosse en 1842.

Les physiciens, chimistes et opticiens ont donc cherché des procédés pour améliorer la qualité des verres et des miroirs et réduire voire éliminer leurs défauts.

L'argenture chimique fut mise au point à partir de 1835 par le chimiste allemand Justus von Liebig (celui des cubes de viande) qui découvrit une technique d'argenture des surfaces optiques grâce à la réduction de nitrate d'argent ammoniaqué (AgNO3 + NH4NO3) par du sucre (du saccharose, C12H22O11, un aldéhyde et donc un produit réducteur très réactif). Néanmoins, malgré plus de dix ans de recherches, il ne réussit pas à la commercialiser.

L'invention fut perfectionnée en 1844 par le chimiste anglais Drayton qui avait déjà remplacé l'étamage traditionnel des glaces (couverte d'un amalgame d'étain) par l'argenture à froid du verre, un procédé que recommanda Faraday et qui fut commercialisé.

En 1857, Léon Foucault parvint à amincir la couche d'argent jusqu'à environ 0.1 micron soit 100 nm d'épaisseur.

Le procédé d'argenture des miroirs sera utilisé pendant plus d'un siècle, avant qu'il soit jugé nocif en raison des émanations d'ammoniac et remplacé par l'argenture sous vide et l'aluminure sous vide.

Inventions du borosilicate et de la vitrocéramique

Les premiers miroirs en verre étaient fabriqués à partir de sodocalcique, un verre composé de 71-75 % de silice (du sable, SiO2), de 10-15 % de calcium (CaO) et 12-16 % de soude (Na2O). Le même matériau est utilisé pour fabriquer les verre industriels et à usage domestique (verre plat, creux, etc). Le verre sodocalcique est toutefois assez sensible aux variations de température et ne se prête donc pas à des applications impliquant des chocs thermiques ou exigeant une grande stabilité.

A la fin du XIXe siècle, le chimiste et opticien allemand Otto Schott (de la fameuse entreprise Schott AG) inventa des verres plus performants en borosilicate. Ce verre contient jusqu'à 80 % de silice, le reste étant composé de 7-13 % de trioxyde de bore, de 4-8 % d'oxyde de sodium et d'oxyde de potassium et de 2-7 % d'oxyde d'aluminium.

Le borosilicate présente une meilleure inertie chimique, il est plus homogène et thermiquement plus stable que le verre ordinaire, et donc mieux adapté aux conditions d'utilisation des physiciens et des astronomes. On utilise également ce verre dans les industries chimique et pharmaceutique (verres de laboratoire, burettes, tubes à essai, etc) et certaines industries du marché domestique (fabrication de lampes, de moules à pâtisserie et de plats à gratin).

Les recherches d'Otto Schott ont également porté sur les lentilles des lunettes astronomiques et les oculaires en collaboration avec le fameux physicien Ernst Abbe et le maître-opticien Carl Zeiss dont l'excellence des produits est toujours d'actualité.

Aujourd'hui, les miroirs des télescopes et des optiques catadioptriques sont fabriqués en Zerodur (une vitrocéramique à base d'oxyde métallique), en Supremax ou Pyrex (un borosilicate) ou encore en verre de silice (quartz ou oxyde de silicium) pour certaines applications spécifiques.

 

Densité

δ

Capacité thermique

 (J/Kg.K)

c

Coefficient de dilatation

(α*10-7/K)7/K)

α

Conductivité thermique

(W/m.K)

m

Module de Young

(GPa, kN/mm2)

ρ

Zerodur

2,53

800

0,01±0,6

1,46

90,3

Titanosilicate ULE 7972

2,21

767

0±0,3

1,31

67,6

Pyrex 7740

2,23

837

32

1,13

65,5

Suprax 8488

2,31

830

43

1,20

67

Supremax 33

2,2

830

32,5

1,20

64

BK7

2,51

878

71-83

1,09

82

Borofloat

2,22

830

32,5

1,11

63

Ohara E6

2,22

730

28,0

1,1

57,4

Verre sodocalcique

2,4-2,8

720-830

86

0,7-1,2

73

Valeurs entre 0-300°C ou 20-100°C selon le paramètre.

La stabilité mécanique, thermique et chimique des verres est importante pour éviter les déformations et les chocs thermiques lorsque le miroir est exposé à des conditions variables de température, pression, accélération, corrosion, etc. Si les déformations de la surface du miroir peuvent se limiter à une fraction de nanomètre, c'est l'idéal.

Même un télescope d'amateur subit des chocs thermiques quand il est exposé en plein Soleil ou doit affronter des nuits glaciales. Et plus il est grand, plus son pouvoir de résolution le rend sensible à la turbulence.

Voyons à présent comment façonner et polir le miroir d'un télescope. Mais avant tout chose, présentons le projet et la décrivons la charge de travail que cela représente.

Organisation et méthode de travail

On ne peut pas discuter du sujet sans évoquer le célèbre livre "La construction du télescope d'amateur" de Jean Texereau (et disponible en PDF) auquel nous rendrons hommage et ferons parfois référence pour certains détails techniques.

Nous citerons également les réalisations de certains passionnés d'"ATM", amateurs ou professionnels, qui ont fait avancer l'astronomie amateur et ouvert le marché des télescopes et de certains instruments d'analyse au grand public.

Il y a 50 ans, un miroir ou un télescope coûtait une fortune et l'amateur avait tout intérêt à le fabriquer lui-même. Aujourd'hui rares sont les personnes qui fabriquent leur miroir et moins encore leur télescope car d'une part c'est un travail long et de précision et les modèles du commerce, à l'exception des entrées de gammes, sont bien plus performants qu'il y a deux générations.

De nos jours, les progrès en automisation et notamment la production de masse ont rendu obsolète les méthodes de travail manuelles qui voici encore 50 ans permettaient aux astronomes amateurs bricoleurs d'économiser beaucoup d'argent sur le prix d'un instrument du commerce.

Toutefois, plus pour le plaisir ou la curiosité que pour le prix, quelques amateurs continuent à fabriquer leur miroir, certains allant même jusqu'à la cuisson du verre. On y reviendra.

Au final, nous verrons que l'économie peut dépasser 50 % du prix d'un miroir aluminé et plus encore si l'amateur à les moyens et les capacités de fabriquer le tube optique et la monture.

C'est tout ce travail de taille et de polissage du miroir a priori complexe et spécialisé que nous allons décrire et démontrer qu'il est finalement à la portée de tout amateur bien informé, au point que des adolescents ont fabriqué leur propre miroir.

Pour réaliser ce travail, il faut avant tout de la motivation, sachant que son propriétaire va passer des heures, des jours et des semaines à fabriquer son miroir. En effet, dans leur livre "Lunettes et télescopes", Danjon et Couder évoquent un travail de plusieurs mois dans le cas du miroir d'un grand télecope, mais c'est aussi valable pour un amateur débutant fabricant un petit miroir de 200 mm ou une personne ayant très peu de temps libre.

La fabrication d'un miroir de télescope est un travail exigeant qui demande également un minimum de connaissances techniques ne fut-ce que pour apprendre à utiliser un outil d'ébauche, un polissoir ou les différents appareils de test, de la méthode, du temps libre et beaucoup de patience. Bref, ce travail s'adresse avant tout aux bricoleurs et aux passionnés.

Les clubs, ateliers et stages d'apprentissage

Un débutant aura besoin d'informations techniques et d'une méthode de travail éprouvée. Internet et les livres ayant leurs limites, avant de se lancer dans ce projet, il est préférable de trouver un club d'astronomie ou un amateur ayant une expérience de ce type de projet et auprès duquel il pourra trouver de l'aide technique, si possible de manière régulière s'il veut éviter d'abandonner prématurément le projet faute d'avoir évalué la difficulté (relative) du travail.

Cette manière de procéder sous la supervision d'une personne expérimentée évitera aussi au débutant de faire des erreurs dès le début, de gaspiller du verre ou des produits, de se décourager et finir par abandonner.

Stage de fabrication d'un miroir. Document Stellafane.

Dans un premier temps, pour estimer sa capacité à réaliser ce projet, pour bien comprendre les différentes étapes et leurs particularités, il est utile de consulter les vidéos présentées sur les réseaux sociaux dont YouTube, de lire les commentaires publiés sur les forums d'astronomie, ou mieux, comme nous l'abons dit, de fréquenter un club d'astronomie ou une personne ayant acquis cette expérience. L'amateur jugera ainsi rapidement de sa capacité à conduire un tel projet.

Certaines personnes préfèrent la pratique à la théorie et mettre directement les mains à la pâte pour apprendre le métier. C'est aussi la méthode la plus rapide et la plus efficace.

L'idéal est de participer à un atelier de fabrication de miroir (voir les liens en dernière page) avant de s'aventurer seul dans cette aventure. Plusieurs associations proposent des stages.

L'association Albireo d'Albi dans le Tarn par exemple propre ce type d'atelier au cours duquel il est possible de fabriquer un miroir de 200 mm de diamètre en 40 heures et un 300 mm de diamètre en moins de deux semaines si l'amateur a un peu d'expérience (contre 60-70 heures avec une machine-outil).

La Commission des Instruments de la SAF, à Paris, propose également des ateliers aux adhérents de la SAF. Les amateurs taillent autant les disques de type Pyrex que le quartz, le N-BK7 et même le verre ordinaire.

Consultez les magazines et les forums d'astronomie (dont ceux d'Astrosurf) pour plus d'information.

Nous discuterons dans un autre article de la fabrication du disque brut en verre (à partir de verre trempé) et de la fabrication d'un disque à structure alvéolaire.

Venons-en à présent à la définition des limites et des tolérances de notre projet.

Définition des limites et des tolérances

Quand on se lance dans la fabrication d'un miroir, il faut se fixer des limites et des seuils de tolérance pour éviter de perdre son temps dans des activités inutiles et déterminer si on est capable ou non d'aller jusqu'au bout de ce projet.

En effet, il serait malheureux de commencer une étape et de se rendre compte à mi-chemin qu'on manque de produit ou pire, qu'on a mal évalué la charge de travail et qu'on manque de compétences pour le mener à son terme.

Avant de commencer, il faut déterminer la faisabilité et la charge de travail du projet en identifiant tous les paramètres qui vont l'impacter : les éléments à acheter et ceux qui pourront être fabriqués, le budget et le temps à y consacrer, les spécifications des différents éléments (disque, abrasif, outils, instruments), identifier les revendeurs et vérifier les délais de livraison (en principe tout est de stock), choisir le lieu de travail et identifier les risques éventuels et leurs conséquences (éclat dans le verre, outil mal utilisé, etc.). Pour un débutant, cela nécessite en principe le soutien d'un amateur expérimenté.

Après avoir évalué la charge de travail, si l'amateur dispose des capacités et des moyens pour réaliser ce projet, il faut à présent déterminer les types de matériaux dans lesquels seront fabriqués le miroir et les disques-outils, les dimensions du miroir ainsi que son épaisseur qui auront un impact sur la structure du barillet, le rapport focal et la précision du polissage désirés, sans parler des autres paramètres mécaniques notamment de la monture.

La dimension du miroir aura une influence directe sur les quantités de produits qu'il faudra acheter et qui seront consommés ainsi que sur la fabrication des disques-outils pour le doucissage et le polissage et le support du miroir pour les tests de Foucault.

Par soucis de clarté, dans cet article nous traiterons chaque sujet en son temps mais en pratique, il est évident qu'il faut définir tous ces paramètres avant d'acheter quoi que soit et de travailler.

Ce qu'on peut déjà préciser tout de suite, c'est la géométrie du miroir et la précision du polissage.

Nous allons fabriquer (virtuellement) un miroir destiné à un télescope de Newton. Ce sera par exemple un 300 mm f/6. Le miroir devra donc être concave et de forme parabolique. Il en est de même s'il s'agissait d'un miroir destiné à un télescope Cassegrain.

En revanche, si ce miroir était destiné à un Schmidt-Cassegrain ou un Maksutov par exemple, on peut se contenter d'un miroir sphérique, les corrections optiques étant appliquées sur la lame de fermeture. On y reviendra à la fin de l'étape de polissage.

Concernant justement la précision du polissage, ainsi que nous l'avons expliqué à propos de la qualité des optiques, les défauts d'une image sont clairement visibles sur un miroir taillé à moins de λ/4 en lumière verte, ce qui correspond à une précision d'environ 125 nm RMS ou un peu plus d'un dizième de micron (0.125 μm). Cela veut dire que même pendant une nuit où l'atmosphère est turbulente, un amateur débutant distinguera une différence de qualité entre l'image d'un astre produite par un miroir taillé à λ/2 par exemple et un autre taillé à λ/4 ou supérieur.

Rappelons également qui si l'image télescopique est mauvaise sous λ/4, l'obstruction centrale détériore également encore un peu l'image et notamment son contraste. Il est donc prudent de tailler le miroir avec une meilleure précision.

En revanche, en raison du phénomène de diffraction, améliorer le polissage au-delà de 0.1 micron en lumière verte, c'est-à-dire de λ/4 n'a plus d'influence sur la qualité de l'image. Il est bien sûr plus valorisant mais pas plus difficile, c'est juste plus long et un peu plus cher en abrasifs, de polir un miroir jusqu'à λ/10.

 Sachant cela, nous allons donc réaliser un miroir taillé à λ/10 à 544 nm de longueur d'onde, l'écart P-V (cf. peak-to-valley) ne devant pas dépasser (544/10) soit 54 nm, ce qui correspond à un écart RMS d'environ λ/25. C'est une excellente valeur que peu de télescopes du marché peuvent revendiquer.

Nous allons à présent choisir le disque brut, le "blank", les abrasifs et décrire les différentes étapes du projet avant d'entamer le travail.

Prochain chapitre

Le choix du disque brut

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